钢板厚度测量系统

长沙理工大学钢板厚度测量系统 学院：汽车与机械工程学院 班级： 车辆1102 学号：1 姓名：侯 健 钢板厚度测量系统一、测量对象说明本测量系统对象是普通钢板，但为保持测量灵敏度要求其厚度大于0.1mm，被测面应光洁、不应有洞眼、刻痕等，长度50mm、宽度30mm、厚度在016mm间。二、测量原理框图三、测量原理与方法说明 1.测量原理 如图1所示,在金属板一侧的电感线圈中通以高频激励电流I1时,线圈将产生高频磁场,由于集肤效应,高频磁场作用于金属板表面薄层,并在这薄层中产生涡流。涡流I2又会产生交变磁通2反过作有于线圈,使得线圈中的磁通1发生变化而引起自感量变化,在线圈中产生感应电势。电感的变化随涡流而变,而涡流又随线圈与金属板间距x而变化,因此可以用高频反射式涡流传感器来测量位移x的变化。图2为涡流效应等效电路。R1为线圈电阻;L1为线圈电感;R2为短路电阻;L2为短路环电感;U1为激励电压;M为线圈与短路环间的互感。 回路方程: 受涡流影响后线圈的等效阻抗为: 线圈阻抗只与L1、L2、M有关,而L1、L2、M都与x有关,即Z=f(x),因此,如固定传感器的位置,当间距x发生变化时,Z就发生变化,从而达到以传感器阻抗变化值来检测被测金属位移量的值。 传感器阻抗变化还需进一步转化为电信号以便进入数据采集系统。通常的测量方法式采取阻抗变换电路:电涡流传感器探头内线圈,与其它固定阻抗组成原始平衡电桥,随着钢板厚度的变化,探头线圈阻抗值随之变化,这样就破坏了电桥的原始平衡,失衡电桥的桥路输出电压值可反映被测钢板厚度值。除电桥法外,还有高精度的谐振调幅、调频等测量电路。 2、测量方法说明 利用高频反射式涡流传感器的原理,采用上下2路涡流传感器,被测钢板置于中间,分别测量上、下检测器对钢板间距,相对固定的2路可以实现对钢板的厚度测量,原理如图3。D为2传感器的间距,h为钢板的厚度,x1、x2为钢板到传感器探头的距离,即传感器的测量值。则被测钢板的厚度h为D-(x1+x2)。测量值不受钢板移动的过程中上下波动及带材不够平整的影响。 四、传感器的选型拟采用上海传振电子科技有限公司的型号为CZ-600传感器。 1、内部系统图2、技术参数供电范围1、+18Vdc+30Vdc（输出信号：420mA；15V；110V）2、-24Vdc（-2-18V）注：不同的输出方式，供电不同测量量程动态测量（轴振动位移量）：0-800um；静态测量（轴向位移）：016mm输出信号420mA、15V、110V、-2-18V（可选）分辨力0.001mm线性误差量程: 12mm误差 13mm误差1.5%输出方式三线制（电源、信号输出、公共端）输出负载电压输出：输出阻抗51；电流输出：负载电阻500频率响应05KHz(0.5dB)功耗10mA(不包括变送输出的电流)系统温漂0.1%/适用温度范围前置器-30+70；探头-40+150；电缆-40+150电缆总长5或9延伸电缆长度4、4.5、8、8.5探头电缆长度1、0.53、安装说明（1）被测体要求：被测体材料对传感器特性影响，以2mm对应-2-18V为例（如下图）（2）.被测体为为圆轴且其轴心线与探头轴心线正交时，要求被测体直径大于探头直径3倍以上，否则传感器灵敏度会降低。(3).被测体厚度影响传感器灵敏度。钢等导磁性好的金属材料要求其厚度大于0.1mm，铝等导磁性好的金属材料要求其厚度大于0.6mm.(4).被测面应光洁、不应有洞眼、刻痕等，转速、鉴相测量可在被测面装凸台或开凹槽，位移测量一般要求被测面表面粗糙程度不超过0.81.6um,轴的径向振动测量一般要求被测面表面粗糙程度不超过0.40.8um。(5).两个探头的安装距离不能太近，否则两探头之间会通过电磁场互相干扰(如图2-6所示)，在输出信号上迭加两探头的差频信号，造成测量结果的失真，这种情况称之为相邻干扰。排除相邻干扰有关的因素：被测体的形状，探头的头部直径以及安装方式。通常情况下探头之间的最小距离见下表2-2与图2-6。本系统的选型探头选型为CZ600T-A01-B040-C08-D10-E01规格为8mm，正装，有螺纹，系统电缆总长9M,电缆长度1M，壳体长度40mm,有铠装。延伸电缆选型CZ600L-A40-B01电缆长度4M，有铠装。前置器选型CZ600-A00-B02供电电压为+24V，输出信号为1 V 5V。五、各原理框图的功能1.电桥 电桥是一种电阻、电感电容等参数变化转换位电压或电流变化的测量电路。电桥输出一般需先做放大，然后再做后续处理。但有时也可用指示仪表直接测量。电桥电路电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为或电流的变化。图是电桥法的电原理图，图中线圈A和B为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。2.检测电路 检测电路分为整流电路A、分压电路B和放大电路C。利用互感器对线圈回路的电压进行取样、压缩,并作为检测电路的输入UAC。UAC经过整流电路A变换成直流电压,该电压经分压电路B分压后进入放大电路C。放大的电压值转化成420mA标准电流信号输入到PLC,微机系统则对从PLC采集到的标准电流信号进行滤波、线性变换处理得到线圈输出电压值。在线采集相关参数数值,包括线圈输出电压值、线圈距导体距离、导体温度,从而绘出线圈输出电压与各参数之间的曲线图3.调制解调、滤波与放大器 经过传感器变换后，被测信号一般需要做交流放大，一边进行传输、预算等后续处理。交流放大器不适于做缓变信号的放大；直流放大器虽可以此类信号的直接放大，但存在零漂和级间耦合等问题，因此常采用调制的方法先把缓变信号变换成频率适当的交流信号，然后用交流放大器放大。最后进过传输、处理后，再使原缓变信号回复原样。滤波器的作用是，使信号中的特定频率成分通过，而抑制或极大地衰减其他频率的成分。滤波器是频谱分析和滤除干扰噪声的频率选择装置，广泛应用于各种自动检测/自动控制装置中。4.线性化 传感器的输出量与被测物理量之间的关系,绝大部分是非线性的。 造成非线性的原因主要有有二；(1) 是许多传感器的转换原理并非线性,如温度测量,热电阻或热电偶与温度是非线性关系，（2）是采用的测量电路的非线性,例如测量热电阻用四臂电桥,电阻的变化引起电桥失去平衡,出现的输出电压与电阻之间的关系为非线性。此系统的线性化装置便是使输出的信号与被测物理量之间呈线性关系，使输出的信号准确度更高。六、误差分析1）被测体尺寸大小、激励电压大小对涡流大小均产生影响,其中,激励电压的选择能影响涡流检测位移系统的灵敏度以及测量范围。2）对被测体的要求，为了防止电涡流产生的磁 场影响仪器的正常输出，安装时，传感器头部四周必须 留有一定范围的非导电介质空间。如果在某一部位要 同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离。同 时，被测体表面积应为探头直径3倍 。3）由于振荡回路的检波输出与测量位移之间为非线性关系, 为了提高涡流传感器的使用范围和精度,必须对电涡流传感器进行非线性补偿。虽然本测试系统装有线性化模块。但仍有一点的误差。4）电涡流传感器的动态特性主要由振荡回路和检波回路的频率特性决定, 整个传感器的传递函数表示为：式中: L1为线圈的电感;R1为线圈的串联电阻; RC2 为检波电路的时间常数。为了在提高系统的动态特性的同时不降低振荡回路的品质因数,在传感器的输出信号流中串联超前校正环节以改善传感器的动态特性。超前校正的传递函数为：5）传统的检波方式采用二极管、电容、电阻实现。由于二极管的导通特性受温度影响比较明显,所以传统的二极管检波输出存在随温度变化而发生漂移的现象。感应线圈本身存在电阻随温度变化而变化的问题,会使传感器输出信号产生较大的误差。七、测量系统的整体评价厚度是工业生产中最常见和最基本的工业参数之一，是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。厚度测量方法有很多：简单的厚度测量可以用卷尺或直尺来完成，要求精度高的用游标卡尺来完成，一些金属的厚度还可以用传感器来测量，具体用什么方法测厚要根据所测物体的大小、形状、材质以及测量精度来定。在进行金属的厚度测量时，经常遇到金属表面有非金属涂层或油污等杂质使接触测量不准确或无法进行，而且在工业现场的在线测量也使得接触式测量变得困难，这就使得非接触式测量的优点显现出来。本测量系统就是利用电涡流传感器来测量钢板的厚度本系统原理是通过电涡流效应的原理，准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置，其特点是长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，本系统的测量范围为016mm，测量精度为1%，工作温度为-50+120，温漂0.05%/，频响：010kHz。但由于考虑的不周到，会有一点给的误差，比如温度，传感器的动态特性，被测物体的尺寸大小等都会影响测量的结果。希望在以后能够改进这些影响，使测量精度更加准确。八、设计心得 这次的设计真的使我学到了很多东西。首先，对于这门课程，从一开始到结课我都是稀里糊涂的像听天书一样，弄不明白这门课程到底学的是什么。后来知道考试要做一个钢板厚度测量系统觉得总比考试来的容易。不过真正着手做的时候还真挺复杂的，觉得这就是一个课程设计吧。开始是在网上找各种用传感器测钢板厚度的资料，知道了有很多种类，有电涡流，超声波，激光等，还有各种传感器测量钢板厚度的原理，然后又在淘宝百度上查找各种类型传感器的技术参数，测量范围，灵敏度，最后经过综合的考虑确定了选用电涡流传感器来测量。选好传感器后还要查找传感器中各个部分的功能，如电桥，振荡器，调制解调，放大器，滤波器等